¿Sería posible lanzar un cohete desde un globo?

Hay varias organizaciones (comerciales) que buscan medios alternativos para lanzar cohetes con destino al espacio. Un método comúnmente propuesto es utilizar un avión grande como plataforma de lanzamiento. Este método debería, en teoría, reducir el costo de enviar cohetes al espacio.

Los globos meteorológicos pueden alcanzar una altitud de 20 KM o más. ¿Se podría utilizar un globo como plataforma de lanzamiento de cohetes con destino al espacio? Me imagino que saltarse los primeros 20 km de vuelo podría sufragar significativamente el costo de un lanzamiento.

Buena pregunta. Mi primer pensamiento es; mientras sea posible; superar los problemas logísticos cancelaría cualquier beneficio. Evidentemente no se puede lanzar desde lo alto de un globo, y de ese tema fluyen los temas logísticos.
Bueno, te vendría bien un globo con forma de dona, ¿verdad? La plataforma podría estar debajo del globo y el cohete podría lanzarse desde un tubo que pasa a través del globo (un poco como un lanzacohetes o un tubo de torpedos).
Como escribió James, la logística podría ser un problema. La carga útil, la deriva, la jurisdicción del espacio aéreo también entran en escena.
Podría lanzar desde abajo, con el globo lleno de hidrógeno, autodestruyéndose tan pronto como se enciendan los motores del cohete, o simplemente atado al cohete el tiempo suficiente para que el globo no se interponga en el camino y el cohete tenga tiempo y espacio para volar a su alrededor. Más de un problema es la pura economía de escala. Necesitarías un globo enorme para levantar cualquier carga útil considerable con suficiente cantidad de combustible para colocarlo en la órbita.
@SF. Pensando en voz alta - ¿Podría el hidrógeno/helio en el globo ser desviado en su mayor parte hacia el cohete como reserva de combustible?
@Todos: El hidrógeno del globo no está presurizado, de lo contrario sería más pesado que el aire. El hidrógeno a presión atmosférica es un combustible de muy baja densidad energética. Probablemente haya más energía involucrada en comprimirlo que la que podría recuperarse quemándolo.
Ok, ¿quién de ustedes está detrás de esto ?
Podrías dejarte caer del globo y encender los motores una vez que estés a una distancia segura de él.
Uno de los competidores por el Premio Ansari X fue este: en.wikipedia.org/wiki/Da_Vinci_Project - aunque el objetivo era solo suborbital, era un intento de lanzar un cohete al espacio (bueno, por encima de la línea Karman, de todos modos ).
Relacionado pero no duplicado: space.stackexchange.com/questions/19274/…
Recientemente escribí una solución para esto que creo que podría funcionar, me encantaría recibir comentarios: medium.com/@brysgo/high-altitude-mass-volley-9ee9e94f6007

Respuestas (11)

Para mantenerme dentro del alcance de esta pregunta, haré referencia a una idea que creo que se ajusta a los criterios, aunque eso podría ser discutible.

Llamaré a la idea LAS de atadura de globo , y se publicó en un artículo de revista en 2012. La razón por la que esta idea es notable es que comenzó a partir de un estudio de LAS (Sistemas de asistencia de lanzamiento) propuestos anteriormente y formalizó los requisitos para un sistema realista. Por eso diría que es una de las propuestas "más posibles".

Descripción

Los globos de gran altura suspenderían grandes poleas que básicamente son jaladas por trenes. El sistema estaría en una ubicación remota ya gran altura. El valor del LAS en sí mismo es que:

  • Aumenta la altitud del cohete.
  • Da al cohete una velocidad vertical inicial (del orden de 1 km/s)

A partir del punto de lanzamiento, el cohete dispara y alcanza la órbita con una carga útil de alrededor de 7 kg. Todo esto suena un poco trillado. Después de todo, solo acelera el cohete a una fracción de la velocidad orbital, a una altitud de solo una fracción de la altitud LEO, la carga útil es insignificante y la tasa de lanzamiento es solo una vez por día. Pero esto es ciencia de cohetes, según la ecuación de cohetes, estas reducciones hacen una diferencia mayor de lo que piensas.

Aquí hay una imagen, en la que el rosa son los globos, el azul es el cohete y el marrón es la correa.

esquemático

Factibilidad

Claramente, puedes lanzar algo a la órbita desde globos, pero si no hay un argumento económico para hacerlo, nunca sucederá. El LAS de atadura de globo muestra dominio de un par de problemas que vendrán con el territorio. Principalmente, existe el problema de que los globos tienen una capacidad de elevación muy limitada. Para más sustentación necesitas un globo más grande, y rápidamente comienzas a empujar el límite de lo que es posible. Eso ejerce mucha presión a la baja sobre los tamaños de carga útil.

Debido a esa restricción de tamaño, es poco probable que algún sistema de globos pueda competir con la capacidad de carga pesada o para vuelos tripulados. Incluso para los microsatélites, no se puede justificar el costo de la cadena de producción porque la demanda de frecuencia de lanzamiento no es lo suficientemente alta. Es por eso que el LAS de amarre de globo propone un modelo de depósito de propulsor.

Todavía hay algunas partes dudosas en esta propuesta. Hay un par de campos en los que se ha propuesto la ingeniería exploratoria utilizando globos anclados a gran altura. Cabe destacar la energía solar, la energía eólica y los globos de comunicación. Ha habido algunos precedentes históricos de globos cautivos que vuelan a unos 3 km . La tecnología militar aumenta en 7 km más o menos . Para llegar a las deseables regiones sin clima, tendrá que ir mucho más lejos, y también estamos hablando de usar globos realmente grandes. Todavía existe la opción de no atar el globo y simplemente volarlo y lanzar un cohete. Pero, ¿dónde está la reutilización en eso? Eso hace que sea una ecuación difícil hacer un sistema de lanzamiento competitivo, aunque eso depende del estado de la tecnología para los sistemas anclados a gran altitud.

no se llama rockoons?
¿Estoy entendiendo bien que esta es una propuesta de un sistema de poleas y cables colgados de globos que van a acelerar el cohete a velocidades supersónicas?
@RussellBorogove Sí, en su mayor parte. No sé si alguna vez dio una velocidad ascendente del minicohete en el punto de desprendimiento, por lo que sería prematuro suponer que está por encima de Mach 1, o que tales velocidades serían prácticas. Una cosa que antes parecía haber pasado por alto es que las vías del riel en realidad no ejercen fuerza, sino solo para ajustar la holgura en la correa, como ese resorte en la parte posterior de las ruedas de bicicleta que le permite cambiar a engranajes de diferentes tamaños.
Dijiste "del orden de 1 km/s" y el papel parecía decir 0,45 km/s.

Hay buenas razones por las que los globos no se han utilizado para los sistemas de lanzamiento.

  1. Fragilidad de los globos
  2. La naturaleza altamente energética de los lanzamientos de cohetes
  3. Control limitado sobre la trayectoria del globo
  4. Gastos de Helio
  5. Inflamabilidad del Hidrógeno.

Los globos son inherentemente frágiles. Tienes que tener materiales muy delgados y muy livianos para hacer un sistema de globos de gran altitud efectivo. Baumgartener se lanzó en un globo que tenía 550 pies (168 metros) de altura en el lanzamiento, con 30 millones de pies cúbicos (850 000 m³) de helio en STP, para transportar alrededor de 3150 libras (1430 kg) de carga útil. El globo en sí podría ser perforado fácilmente por una persona que intente atravesarlo con un dedo.

A modo de comparación, la masa de lanzamiento del Falcon 9 es de aproximadamente 735 000 libras (333 000 kg), aproximadamente 233 veces el peso, antes de tener en cuenta su capacidad de carga útil de hasta 14 000 libras (6350 kg). Además, dado que los globos son tan frágiles, se necesitarían al menos tres y un sistema de góndola que los mantenga bien separados, por lo que se esperan alrededor de 7,200 millones (7,2e9) de pies cúbicos (204 millones de m³) de helio de elevación. para ahorrar alrededor del 10% del combustible de lanzamiento.

El helio no es barato. A 84 dólares por 1000 pies cúbicos ( $ 2,97/m³), eso es $ 6,048e8 (poco más de quinientos millones de dólares) solo en helio. El ahorro de costos no está presente para los lanzadores grandes.

El hidrógeno, un mejor gas de elevación, se puede fabricar, pero seguirá siendo de unos 4 mil millones de pies cúbicos (113 millones de m³). Pero, si se incendia, será un gran problema de llamas. Esto luego dejará caer cualquier góndola y estructura.

Tenga en cuenta que el lanzamiento de un cohete produce una columna de gases altamente energéticos de hasta medio kilómetro de largo. Aunque la combustión haya terminado, esos gases aún pueden estar lo suficientemente calientes como para dañar la frágil envoltura del globo. Si se enciende esa envoltura, el globo sufre una repentina (y probablemente catastrófica) pérdida de sustentación; si está lleno de hidrógeno, es casi seguro que sufrirá una catastrófica pérdida de sustentación.

Un globo lo suficientemente liviano como para lanzar una carga útil significativa experimentará un levantamiento repentino y masivo cuando el cohete lo despeje. Siempre que la envolvente no se vea comprometida, la pérdida del 95% de la masa dará como resultado un ascenso repentino y rápido; no tan rápido como el cohete, pero lo suficientemente rápido como para que la recuperación sea un problema. La falta de control de trayectoria también significa tener que monitorear cuidadosamente el flujo de aire en el aire. Para recuperarse, el globo debe poder comprimir la envoltura, ventilar la envoltura o desprenderse de la envoltura; cualquiera de estas opciones agrega masa, y dos de ellas hacen que el gas de elevación sea una pérdida. Dados los bajos espesores necesarios para obtener una sustentación eficiente, la compresión es poco probable. Por lo tanto, la mayor parte del gas de elevación será irrecuperable.

A la larga, es demasiado costoso y arriesgado usar globos para superar el despegue inicial.

http://www.redbullstratos.com/technology/high-altitude-balloon/
http://en.wikipedia.org/wiki/Falcon_9
http://www.weldingandgasestoday.org/index.php/2012/04/a -mirar-el-aumento-de-los-precios-del-helio/

El globo de Baumgartner no tenía 30 MCF de He en STP. Fue 30 MCF en altitud. En el suelo la misma cantidad de He era 0.18 MCF. Entonces, su cifra en dólares es alta en aproximadamente dos órdenes de magnitud. Más como $ 3.5M en He. Aunque solo si la estructura del globo se escala linealmente, lo cual no es así. También creo que su costo de He por unidad de volumen es aproximadamente un factor de dos bajo.
El costo del helio se consultó el día publicado.

Sí. Sin embargo, los globos de gran altura más grandes en funcionamiento solo pueden levantar 8,000 libras (3600 kg). Gráfico de la instalación de globos científicos de Columbia de la NASA :

parcelas de capacidad científica del globo

Así que sería un cohete bastante pequeño. A modo de comparación, el Pegasus XL lanzado desde un avión pesa alrededor de 50 000 libras (23 000 kg).

Eso es desplazamiento por gas helio, ¿verdad? ¿El hidrógeno calentado cambiaría mucho esto? Además, ¿cuánto pesaba el vehículo de prueba LDSD? Me doy cuenta de que, en última instancia, no estaba destinado al espacio, sino que era una especie de cohete y se desplegó desde un globo a gran altura.
El gas hidrógeno no cambiaría mucho la flotabilidad. 29 − 4 contra 29 − 2 , así que tal vez otras 600 lbm. Sin embargo, el límite de 8000 lbm no se debe a la flotabilidad, sino a la capacidad de carga estructural de la envoltura del globo. Traté de que me dieran un poco más de peso suspendido, lo que en teoría podrían hacer con un poco más de helio, pero no se movieron debido al límite de carga de la envoltura del globo. La masa suspendida final estaba cerca del límite de 8000 lbm. Eso incluyó el tren de globos, la góndola y el vehículo de prueba. El vehículo de prueba en sí pesaba alrededor de 6800 lbm.
No tengo idea de cómo calentarías hidrógeno, o helio para el caso, y lo mantendrías caliente allí arriba.
Sí, eso sería un desafío por decir lo menos. No sé, una idea bastante descabellada sería transmitir microondas, digamos MASER de alta potencia a la frecuencia de excitación de hidrógeno, pero sí ... ciencia ficción :)

Probablemente podrías, pero no ayudaría mucho.

La razón por la que es difícil llegar a la órbita no es que el espacio esté muy arriba.

Es difícil llegar a la órbita porque tienes que ir muy rápido.

de XKCD ¿Qué pasa si? #58

En realidad, eso no es del todo cierto. Debido a la ecuación del cohete (tienes que lanzar todo tu combustible contigo en un cohete normal), lanzar desde una altitud más alta y/o con una velocidad inicial significativa puede reducir considerablemente la cantidad de combustible requerida. La pila del transbordador espacial, por ejemplo, quemó casi la mitad de su masa en los primeros 90 segundos después del lanzamiento, momento en el que todavía va bastante lento en comparación con su velocidad orbital final y aún no está a 100,000 pies de altura, IIRC.
Después de 90 segundos, el transbordador espacial viaja a más de 1 kilómetro por segundo, más de una octava parte de su velocidad orbital.
Esa es una vieja verdad, pero en este negocio todo es cuestionado. Los entusiastas de JPaerospace tienen la intención de que su dirigible sea acelerado por un motor de iones durante muchas horas o días en el aire a gran altura. Hasta que alcanza la velocidad orbital. Y hacen más que editar fotos, en realidad construyen cosas que están llenas de aire caliente :-) jpaerospace.com/atohandout.pdf
El papel del propulsor Falcon 9 es principalmente alcanzar la altitud. Cuando sea lo suficientemente alto, la etapa superior hará el mayor esfuerzo para alcanzar la velocidad orbital. ¿El refuerzo Falcon 9 es trivial? Ciertamente no. Conseguir la altitud necesaria no es un obstáculo menor. Ojalá la gente dejara de usar esa caricatura de XKCD. Dicho esto, el lanzamiento de globos no es práctico.
"Después de 90 segundos, el transbordador espacial viaja a más de 1 kilómetro por segundo". La mayor parte de ese 1 km/s es vertical. El componente de velocidad vertical se reduce a medida que asciende el transbordador. De modo que 1 km/s contribuye muy poco a la velocidad horizontal de 7,7 que necesita lograr el transbordador.

Sí, algunas personas están tratando de hacerlo:

http://www.bloostar.com/

Hay ventajas en esta solución, como menos resistencia durante el ascenso (que es especialmente importante para los lanzadores pequeños debido a la ley del cuadrado/cubo) y un mejor Isp debido a la menor presión en el lanzamiento. También puede reducir la masa del carenado de carga útil. Sin embargo, la masa del lanzador está severamente restringida y tienes mucho menos control sobre tu procedimiento de lanzamiento. Abortar y recuperar el lanzador y la carga útil será muy difícil.

Esta respuesta debería ser al menos 20 km más alta que la otra, que me parece en su mayoría desinformada.

Nunca se ha intentado, pero ha habido algunas personas que lo han considerado. De hecho, hubo una sección extensa sobre lanzamientos de globos en la competencia Ansari X-Prize hace una década. El cohete más notable que se diseñó fue el Proyecto da Vinci.

Si bien esto podría funcionar para suborbitales, es poco probable que funcione bien para un vuelo orbital. La velocidad es el factor clave para un vuelo orbital, y obtienes más de un avión. Los aviones Plus son más flexibles en general que un globo. En general, son más fáciles de trabajar.

La pregunta trajo a la mente a LOHAN de The Register , el sucesor de PARIS .
De hecho, se ha intentado, con cierto éxito. es.wikipedia.org/wiki/Rockoon
Claro, pero no realmente al espacio...

Déjame darte un poco de cálculos:

20 km es sólo un 5 por ciento del perigeo de 412 km de IIS .

La principal resistencia no es el aire, la principal resistencia es la gravitación.

Incluso en IIS, la gravedad ejerce una fuerza tremenda, el período orbital es de 92,87 minutos a través de la Tierra. ¡¡¡A las 1,5 horas!!! La misma fuerza atrae a IIS a la Tierra. Estas dos fuerzas, hacia abajo y hacia adelante, son iguales. Vamos a proponer, voy desde uno de los puntos de la Tierra, y después de 1,5 horas, estoy cruzando la Tierra y regresando. Es una velocidad loca.

Para volar, el cohete debe ir en diagonal para ponerse en órbita, los cohetes se tambalean hacia los lados después de comenzar.

A los 20 km solo se puede salvar la fricción del aire, porque es troposfera ( 80% de la masa de la atmósfera ), pero la velocidad del cohete no es tan grande como para sentir la fricción del aire.

Soy arriesgado al proponer que la fricción del aire frente a la fuerza de la gravedad se correlaciona como 1 frente a 100 en este caso.

20 km (5 por ciento), superado económicamente por combustible que mantener el puerto espacial en el dirigible.

Por otro lado, si se descubriera el combustible o método más nuevo para obtener velocidad, este puerto espacial parecería salvarse de la fricción del aire.

Hoy - es innecesario.

Ver: Coilgun , Space gun

Y mira esta foto:barrera

** la fricción del aire frente a la fuerza de la gravedad se correlaciona como 1 frente a 100. ** ¿Hay alguna prueba o referencia para esto?
No, es solo una suposición.
El 1 contra 100 podría estar cerca (aunque tal vez 1 a 20 sea mejor) si se refiere al delta v de la resistencia del aire en comparación con el delta v total para alcanzar la órbita. Pero eso no es arrastre de la gravedad, ese es el impulso necesario para alcanzar la velocidad orbital. Se puede considerar que su respuesta es compatible con esto, pero no es muy explícita.
¿De qué es esta foto? Me recuerda a las imágenes de aviones que superan la velocidad del sonido.
La foto muestra la formación de condensación en áreas de baja presión: la presión ha caído por debajo del punto de rocío. El avión no tiene que pasar la velocidad del sonido para que esto suceda, dependiendo del clima este fenómeno es visible a velocidades más bajas.
"Estas dos fuerzas, hacia abajo y hacia adelante, son iguales". En realidad, para la ISS, decididamente no son iguales considerando todas las cosas. Es por eso que tienen que impulsar la órbita regularmente . Abandonada a su suerte, la ISS volvería a entrar con bastante rapidez en la atmósfera superior debido a la velocidad de avance que cuesta la resistencia atmosférica. (Wikipedia da el decaimiento orbital a 2 km/mes). Dado que la estación pesa 450 000 kg, recomiendo usar un casco.

El equipo ARCA que compite en el Google Lunar Xprize tiene su misión basada precisamente en esta idea: lanzar el cohete Helen 2 desde un globo de helio elevado a 14.000m. Hicieron solo un lanzamiento exitoso y el cohete alcanzó los 40.000 m de altitud. No sé si participarán en la carrera con la misma idea, pero lo mencioné como ejemplo de que esto se intentó antes.

lamentablemente esos enlaces estan muertos

Sí es posible lanzar cohetes desde globo como Reckon . Pero hay muchas desventajas en el lanzamiento desde un globo.

  • los globos son muy difíciles de dirigir, por lo que la precisión en el lanzamiento es casi imposible

  • los globos necesarios para llevar el cohete a grandes altitudes deben tener una superficie muy grande

{

Según esta referencia

El helio tiene una fuerza de elevación de 1 gramo por litro.

Por lo tanto, necesitará un globo muy grande para levantar el cohete (necesita 1000 litros de helio para levantar solo 1 KG de carga)

}

  • es casi imposible lanzar un cohete sobre un globo (lanzar directamente desde la tierra)

  • Para el orbitador, todo se trata de la velocidad, por lo que cuanto mayor sea la altitud, más aceleración necesitará para alcanzar la velocidad orbital requerida.

  • lanzar desde la tierra proporciona velocidad inicial, pero en el aire simplemente no es

Pero aún lanzar desde un globo (si es posible) puede ahorrar su costo de combustible (pero no para el orbitador). lanzar un cohete con una carga útil es imposible (ya que hay muchas dificultades técnicas)

Ballon talk me hace pensar en la alternativa a los cohetes que los nanotubos de carbono sugieren que puede estar disponible en un futuro próximo, con suerte. El ascensor espacial.

Desde un punto de vista práctico, he pensado que no hay forma de que puedan lanzar directamente un cable de remolque de 66,000 millas a la órbita, pero suponiendo que encontremos una manera de tejer largas longitudes de nanotubos en un cable o correa y podemos volar y mover un asteroide cercano a la Tierra de tamaño considerable a una órbita terrestre geosincrónica, sin precipitar una especie de colisión celestial de dinosaurios que tienen un mal día, me parece que el ascenso lento y constante de un globo atado y una tripulación equipada con trajes espaciales será involucrados en el tejido final de la atadura. Supongo que el cable comenzará a tejerse desde el asteroide geosincrónicamente estacionado en algún lugar sobre las islas Jarvis, Baker o Howland a lo largo del ecuador en el medio del Pacífico.

Los elegí porque son territorios de los EE. UU. y están deshabitados, y parecen ser puertos espaciales potenciales bastante buenos. Si la empresa privada fuera a construirlo, asumo que querrían que su espacio aéreo estuviera protegido por las fuerzas armadas más fuertes del mundo para evitar calamidades y reparaciones. De ahí esas islas.

La pregunta es: ¿se quemará la cuerda que se baja a la atmósfera cuando la gravedad la tire hacia el suelo?

También supongo que se necesitaría un globo porque un cohete se movería demasiado rápido para trabajar en la captura de la cuerda descendente y necesitaría una plataforma relativamente estable para que la tripulación trabaje en unir las piezas finales de una manera similar a la unión de el ferrocarril intercontinental en Utah.

¡ Jeremy, bienvenido a la exploración espacial ! Si bien esto es interesante, en realidad no responde la pregunta tal como se hizo y se muestra en la parte superior de la página. La esencia de esto es ¿Podría usarse un globo como plataforma de lanzamiento para cohetes con destino al espacio? entonces, si pudiera editar su respuesta para abordar también esas inquietudes, sería genial. Tenga en cuenta que no somos un foro de discusión, sino un foro de preguntas y respuestas. Se explica más en nuestro Centro de ayuda . ¡Gracias!
esto está fuera de tema

Puede ser posible, pero no ayudará mucho si desea alcanzar una órbita. Esto se ve fácilmente considerando el presupuesto de energía . La energía orbital específica para un satélite que orbita la Tierra a una altitud media (semieje mayor orbital menos el radio de la Tierra para ser precisos) H sobre la superficie de la Tierra se encuentra

mi s a t = − GRAMO METRO 2 ( R + H ) ≈ − GRAMO METRO 2 R + gramo H 2
con METRO y R la masa y el radio de la Tierra, respectivamente, y gramo = GRAMO METRO / R 2 como siempre. La energía específica alcanzada por un globo en altura h es
mi b a yo = − GRAMO METRO R + h ≈ − GRAMO METRO R + gramo h
(ignorando el pequeño efecto de la rotación de la Tierra, es decir, asumiendo el lanzamiento en un polo). Así, al lanzar un cohete desde la altura h , todavía debe proporcionar la diferencia
Δ mi = mi s a t − mi b a yo ≈ GRAMO METRO 2 R + gramo ( H / 2 − h ) .
Así, la principal contribución GRAMO METRO / 2 R no se ayuda aumentando h de h = 0 (lanzamiento a altitud cero).

No está teniendo en cuenta las enormes cantidades de combustible que se transportan y queman en los primeros 20 km (es decir, más de la mitad de su masa inicial). ¿Y si pudieras escalar esos primeros 20 km sin esa necesidad?
Ese combustible no se quema solo para ganar altitud, se quema para acelerar. A 20 km, estás viendo 500-1000 m/s.
¿Sería posible lanzar un cohete desde un globo?
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